室外传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计

2011年 第 30卷 第 1期 传感器与微系 统 (T ransducerandM icrosystem Technologies)室外传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计李 珂 , 马 骋 , 熊剑平 , 贾惠波(清华大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室 , 北京 100084)摘 要 : 开发了一种 新型用于室外传感器网络节点的微太 阳能系统。在 系统中 , 太阳能 电池板 将太阳能转换为电能 , 并存储于新型低自放电率的镍氢 AAA 电池中。为进一 步延长 电池的使 用寿命 , 系 统设计过程中采用了 电池驱动的设计方法。超过 4周的测试结果表明 : 本设计具有高可靠 , 低成本和高可行性等优势。关键词 : 无线传感器 网络 ; 微太阳能电源系统 ; 电池驱动设计中图分类号 : TK 212 文 献标识码 : A 文章编号 : 1000 9787( 2011)01 0097 03Design of a battery driven m icro solar power system for outdoorsensor networks nodesLI Ke, MA Cheng, X IONG Jian ping, JIA H u i bo( State K ey L aboratory of Prec isionM easurement Techno logy and Instrum ents,T singhua U n iversity, B eijing 100084, Ch ina)Abstract : A novelm icro solar power system s for outdoor sensor nodes is developed. In th is system, a solar cellconverts the sunlight into electrical energypower wh ich is stored into a new typeof battery pack consisting of lowself dischargerate N Mi H AAA size batteries. In order to get an extra improvem ent of battery life, battery dr ivendesign technologies are used in the design processof the system. The results of field test lastingm ore than4 weeksshowthat th is new system has advantage of reliabitity, low cost and easyto im plem ent.K ey word s: w ireless sensornetw orks(WSNs); m icro solar pow er system; battery driven design0 引 言长期自主地监测 野外环 境 , 如 , 对 气温、 土壤 湿度等 是无线传感器网络 (w ireless sensornetw orks, WSNs)的一个重要应用领域。在这类 应用中 , 大量 传感器 节点被 部署于 广阔的目标地区 , 监测时 间往往 长达数月 甚至数 年。传感 器节点一般由电池供 电 , 电 池能源 的耗尽 即代表 该节点的 死亡。为延长节点的使 用寿命 , 多种 降低功 耗的方 法已经 被提出 , 如 , 数据压缩技 术和低 功耗路 由技术等 , 但 任何降 低功耗的方法都不能彻 底解决节点寿命有限的问题。可再生能源的利 用 , 如 , 太 阳能、 振动 、 潮 汐、 和风能 等的利用 , 被认为是解决 上述问 题的可行 方案。对 于室外 系统 , 太阳能具有技术相对 成熟 , 能量 密度较大 等优 势 , 被 认为是为节点提供额外 能源的可 行方法 [ 1, 2] 。同 时大部 分地区一天都会有数小 时的日 照时间 , 而其 他能源 , 如 潮汐等 ,对使用地点有苛刻的 要求。一个典型的微太 阳能系统 由太阳 能电池 , 充 电电池 和收稿日期 : 2010 05 18电源管理电路构成。充 电电池 有其自 身的寿命 , 电 池失 效后 , 节点 将随之 死亡 ! 。因此 , 设 计微 太 阳能 系统 的主 要考虑因素之一是如何 提高充 电电池 的寿命。研 究表 明 : 充电电池的寿命受多种 因素影 响 , 尤 其是电 池充放 电的使 用方法。电池驱动系统设计是指在系统设计过程中充分 考虑电池及其特点的设计方 法 , 被 认为是 在传统 低功耗 设计方 法上进一步延 长电 池寿 命的 方法 [ 3]。基 于电 池驱 动设 计 技术 , 本文 设计了一种新型用 于室外 传感器 网络的 微太阳 能系统。持续 4周的测试结果表明 : 该 系统具有高可靠 , 低 成本和高可行性等优势。1 微太阳能电源 系统结构微太阳能电源系统的基本结构如图 1所示。在此系 统中 , 太阳能电池将 太阳能转换为电能 , 并经过输入稳压器 存储于能量存储单元。输出稳压器将能量存储单元的输出 电压进行转换 , 为负载提供稳定的电源。2 负载描述微太阳能 电源系统 的负载 , 即无线 传感器网 络中的 传97传 感 器 与 微 系 统 第 30卷图 1 微型太阳能能源系统典型结构F ig 1 A typ ical structure of m icro so lar power system s感器节点 , 主要由传感单 元、 数据处 理单元、 通信 单元和 能量供应单元 等 功能 模块 组成 [4] 。众 多传 感器 节点 平台 均采用单片机做为数 据处理 单元 , 单一的 射频芯 片做为通 信单元。除长寿命外 , 野外环境量监测 , 一般 同时还要求节点具有较长的通信距离。 因此 , 本微太 阳能电 源系统 设计中 的选择 Xbee PRO模块做为设计负载。为 得到较 长的通 信距离 (大于 1 000m ), X bee PRO模 块在 射频芯 片外 额外添 加了低噪声放大器和 射频功 率放大器 等器件 , 大 大增加的 模块的整体功耗。为 Xbee PRO模块在每 10m in采样一 次的工作模式下提供充足 而可靠的电能是本微太阳能系统的设计要 求。测 试结 果表 明 : 在 3. 3V 供 电状 态下 , X bee PRO模块工作状态功 耗约为 95mW, 休眠 状态 为 0. 18mW。按每 10m in工作 1. 5 s计算 , 一 个原型 机日均 消耗能 量 P n 约为 10mWh。3 微太阳能系统元器件选择与设计3. 1 能量存储单元选择选择何种能 量存 储单 元 有众 多 考虑 因素 , 如 , 能量 密度、 使用寿命、 充电方 式及效 率、 安 全性、 体积、 环 境影响 和价格等。铅锌电池能 量密度 不高且 对环境有 害 ; 锂电池 能量密度高 , 充电效率高且自放电率低 , 但 其充电方式复杂而且安全性要求较高 , 不适宜于室外长期使用 ; 超级电容器可以做为充电电池的替代品 , 其具有寿命长 , 充电效率高等优势 , 但其能量密度非常低 , 且自 放电率非常高。镍氢充电 电池 (N Mi H )因 其具 有安 全可 靠 , 充 电方 式相对简单和能量密度 较高等优势 , 成为首选。同时 , 普通的镍氢电池具有 2个显著的缺点 : 高达每月 30% 的自放 电率和只有 66% 左右的低充电效率。三洋 (Sanyo)公司最新的爱乐 普 ( eneloop)镍氢电 池采用先进的 电池 制 造 技术 , 将 自 放 电率 降 为 每 3个 月 低 于10% , 使得镍氢电池在本系统中 更为理想。 66% 充电 效率指每三份能源中 , 镍氢电池只能存储约两份 , 另外一份以热量的方式散失。这就要求系统设计时适 度加大太阳能电池板的输出能量。3. 2 电池容量与太阳能电池的选择为提高系统的可 靠性 , 可认为 能量存 储单元 在不充 电状态下可以为节点提 供 30 d的电能即满足本设计的需求。两节 AAA 爱乐普镍氢 电池的 容量 充满 点情况 下可 以提供 1920mWh电能。也 就是说 , 即 使在 每 3 个月 自放 电10%的情况下 , 两节电池依然可 以满足 节点超过 4个月 的能量需求。对于太阳能电池的 选择 , 为防止 阴雨天 等连续 恶劣 天气 , 可认 为太阳能电池每天 产生 的能量 需要 满足节 点 10 d的需求。同时 , 为 了便于充电 , 太阳能电池的工作电压应 该稍稍高于电池组的工作电压。镍氢电池的充电效 率只 有 66% , 充 电电 路也 有其 效率并消耗部分能量 , 因此 , 引入 充电参 数 s, 即太 阳能电 池输出能量存储于镍氢 电池的 百分比。 在我们的 设计 中 , 此参数为 50%。太阳能电池板并不 是一个线 性能量 输出系 统 , 加入 负载后 , 太 阳能电池板一般不 会刚好 工作在 其最大 功率输 出的状态 , 因此 , 引入功率损失参数 s, 本设计中为 70% 。综合上述考虑因素 , 每天系统的输入能量 Pd 应该为P d = Png ? s= 10mWh50% # 70% = 28. 6mWh . ( 1)为了提供 10 d的电量 , 太阳能电池 每天需产生 10倍于P d 的能量 , 即 286mWh 。在一天工作 5 h的假设下 , 太阳能电池的输出功率应该为 57. 2mW。基于上述考虑 , 太阳能电池选择小型单晶硅电池 , 尺 寸为 40mm # 26mm # 2. 8mm,开路电压为 4. 4V, 短路 电流为21. 6mA, 工作输出功率峰值为 77. 6mW。3. 3 电池驱动的管理策略与电路设计电池管理策略与电路设计主要考虑的因素就是 电池的寿命问题。在实现电池 驱动设 计过程 中 , 首 先考虑 何种 因素会影响电池的寿命。3. 3. 1 影响电池寿命的主要因素电池生产厂家往往提供循环寿命做为电池寿命 的指标参数。其定义为在电池容量降为原标定容 量的 80% 时 , 电池循环充电放电的次数 [ 5] 。 例如 : 三洋声 称爱乐 普镍氢 电池的循环次数为 1 000次。但是 , 循环充 放放电次数是在标准测试条件下获得的 ,并没有考虑外界环境因素的影响 , 其中最重要的是温度 , 充放电 电 流 , 过 充 /过 放 使用 , 电池 的 电 量状 态 和放 电 深 度( depth of d ischarge, DOD) [5~ 8] 。在室外传感器网络 微太阳能 系统中 , 环 境温度 和充 放电电流并不是主要考虑的因素。1)过充 /过放电在传感器网络应用 中 , 充 电电流 和放电 电流都 相对 较小。小电流的过充 /过放不会导致电池的过早失效 , 但会 大大缩 短 其 寿 命。 测 试 表 明 : 对 镍 氢 电 池 持 续 过 度 放 电0. 2 V,可导致循环寿命损失 40% 。98第 1期 李 珂 , 等 : 室外 传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计如 上 文所 述 , 两 节 充满 电 的 电池 可 以提 供 一个 节 点4个月的能量。因此 , 只 要把电 池充 电到 一个 相对 高的 水平 , 天气状态良好时 , 电池电 量将迅 速得到补 充 , 过度放 电将是非常不可能的事件。电路设计中应 着重避免过度充电的发生。2)电池的电量状态摩托罗拉公司能源系统 组测试 实验室 的 Ed Decker和CindyM illsaps指出 , 充电状态对充电电 池的寿 命有较 大影响 , 充电电池不应该贮存于完全充电的状态下 [8] 。3)放电深度放电深度是指每 次充放电 过程中 , 充 电或者 是放电 的电量占总电池容量 的百分 比 , 也 就是说 一个完 全充电的 电池 DOD为 0% , 1个完全放电的电池的 DOD 为 100%。实验表明 : 电池充 放电 次数 随 每次 DOD 的减 少而 呈 指数 增加 [ 5, 8] , 图 2显示了这一趋势。在这 个例子中 , 如果每 次充放电的 DOD为 5% , 电池可 以使用 15 000周期 ; 如 果 DOD为 10% , 则 有 7 000 个 周 期 ; 如 果 DOD 为 100% , 只 有500个周期。图 2 电池放电深度与其充放电周期寿命的关系F ig 2 R ela tionship between DOD and cycl e life本文设计 目标是延长 电池的使用 寿命 , 即在电池 失效前 , 让电池存储尽量多 的能量。电 池的总 能量可 以由每 次充放电的 DOD 和循环周期的乘积计算。在上述例子中 , 假设电池的容量为 C, 那么 , 以每 次 5% 的 DOD 使用 , 电 池总能量为 750C( = 5% C # 15 000周期 ), 在 DOD 为 10% 和100%的状态下 , 电池总能量分别 为 700C 和 500C。基 于这个原因 , 这里决定在每 个周期 中降低 DOD 的 水平 , 从而 达到提高电池的总能量 的目的。3. 3. 2 电池管理策略考虑到上述各种 因素 , 决定将 电池充 电到一 个比较 高的水平 , 如 80%或 90% 的充 电状 态 ( state of charg, SOC),每个放电充电循环中 , 使用小量的充放电 , 以减少与时间有关的容量损失。在这一策略 中 , 只要 电池组的 SOC小 于特定的较高水平 , 并且阳 光充足 就进行充 电。在每 一个放 电充电循环中 , DOD将很 小 , 这增 加了 电池 组在 寿命 内的 总能量输出。3. 3. 3 电池管理电气设 计上述电池管理策 略实施的最大挑战是精确测量镍氢电的 SOC是非常困难的 , 而且非常昂贵。电池的输出电 压可 以反 映电 池的 SOC 水平。 这种 方法不是很准确 , 因 为该电池的电压受放电电流和温度影响。但选择这个方法的原因是 : 1)电压 控制是 相对简 单和可 靠的设计方法 ; 2) 并不 需要 准确 的 SOC设 计的 电路 ( 70%~95%的 SOC水平都可以 达到设计目的 )。测量了两节 三洋 镍 氢 AAA 电池 串 联在 21? 室 内 以50mA小 电流放电的放电曲线 , 结果如图 3所示。图 3 两节三洋镍氢 AAA 电池串联以 50mA 电流放电的放电曲线F ig 3 D ischarge curve of two Sanyo N Mi H ba tteri es inseries at discharge current of 50 mA如图所 示 , 电池 组 的放 电 曲 线在 大 部分 SOC时 处 在2. 60V左右的水平。当电 池组 SOC为 95%~ 85% 时 , 其 电压曲线波形是 陡峭的并介 于 2. 7~ 2. 8V 之间。因此 , 决 定设计的充电 电路中 , 充电电池 的电压上 限为 2. 75V, 因为 :1)保证在电池 SOC的管 理策 略在 较高 水平 ( 90% 左右 ),避免过充或完全充电 ; 2)在 此值附 近陡峭 的曲线 为电压 的测量带来了便利 , 同时减小 温度与 放电电 流不同 对管理 策略的影响。图 4是所设计的电池管理电路框图。图 4 电池管理电路框图Fig 4 B lock diagram of battery managem ent circuit充电过程应独立于节点 , 不需要节点处理单元的管理 ,因为大部分时间节点将处于休眠状态。图 4 中 , 分 压 器 将 3. 3 V 的 稳 压 器 输 出 电 压 降 至2. 75V。比较器比较此值于电池组 的电压值。比 较器由 电池组供电 , 这未在图 4中标 出。当阳光 充足 并且电 池的 电压低于 2. 75 V 时 , 比 较器 打 开负 载 开关 , 对电 池 组充 电。否则 , 当 电池的电压等于或大于 2. 75V 时 , 负 载开关关闭 ,阻止充电过程。二极管用来阻止电流由电池流入太阳能 电池板。4 测试结果根据上述设计原理制作了原型样机 , 并置于室外 , 以每(下转第 103页 )99第 1期 吕云峰 , 等 : 一种 用于水质监测的 WSNs节点的设计与实现由表 1可以看出 : 本文设 计的无 线传感 器节 点在空 旷的环境下的有效传输距离可以 达到 80~ 100m, 如果测 量距离超出整个距离 , 可以在 2个节点间加入路由节点。表 1 点对点有效传输距离测试数据Tab 1 Tes ting data of effecti ve transm ission d istance ofpo int to po int测试环境测试距离( m )发射功率( dBm)数据包长度( b it)发送包个数丢包率( % )学校操场(天气晴朗 )10204060801001200000000505050505050501 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0000. 00. 00. 20. 40. 920. 364. 25 结 论本文设 计的无线 传感器网络 节点是在 Z ig Bee技 术基础上 , 采用了高集成射频芯 片 CC2430为核 心 , 通过模 块化设计的多个节点构建成一个水 质自动监测系统。节点具有体积小、 集成度高、 低 功耗等 特点。本 节点设 计灵 活 , 在 一定范围内可以随意增 加传感器数量而不用改变总体硬件结构 , 能满足对某 一宽 广 水域 (如 , 河 流的 河段、 湖 泊、 水库、海水养殖水域等 )的 水质进行在线实时监测的要求。参考文献 :[ 1] Octav ian A P, PedroM B, S ilva G J, et a.l Self organizing m apsapplication in a remotew ater qualitym onitoring system [ J]. 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